JP2020084836A - 立軸ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】常時液体雰囲気で使用されるすべり軸受の摺動面で発生する軸受内液膜効果を効果的に生じさせることができる立軸ポンプを提供する。【解決手段】回転軸１０を含む回転体と、前記回転体に取り付けられた羽根車と、前記回転体と前記回転体の少なくとも一部を収容するポンプケーシングと、を備えた立軸ポンプが提供される。この立軸ポンプは、前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転体を支持する第１のすべり軸受６１と、前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転体を支持する転がり軸受５５，５５’と、を備える。前記第１のすべり軸受は、前記回転体の前記第１のすべり軸受と摺動する部分の直径Ｄ以上の距離で前記転がり軸受から前記回転軸の軸方向に離間した位置に備えられる。前記第１のすべり軸受の前記回転体との摺動面が、液体雰囲気にある状態で常時使用される。【選択図】図１０

Description

本発明は、立軸ポンプに関する。より具体的には、立軸ポンプのポンプケーシング内まで水が満たされていない状態でポンプの回転軸を回転して、管理運転を行う立軸ポンプや、先行待機運転ポンプのようなドライ条件で運転管理を行う立軸ポンプに関する。

近年、都市化の進展により、緑地の減少及び路面のコンクリート化、アスファルト化の拡大が進むことでヒートアイランド現象が発生し、いわゆるゲリラ豪雨と呼ばれる局所的な集中豪雨が都市部で頻発している。局所的な大量の降雨は、コンクリート化、アスファルト化した路面では、地中に吸収されることなくそのまま水路に導かれる。その結果、大量の雨水が、短時間のうちに排水機場に流入する。

頻発するこのような集中豪雨によってもたらされる大量の雨水の速やかな排水に備えるために排水機場に設置される排水ポンプでは、始動遅れによる浸水被害が生じないよう、雨水が排水機場に到達する前に予め始動させておく先行待機運転が行われている。

図１は、先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。排水機場の水槽１００には、立軸ポンプ３が配置される。立軸ポンプ３は、鉛直に配置された回転軸１０と、回転軸１０の先端に設けられたインペラ２２とを備える。立軸ポンプ３は、インペラ２２に水とともに空気を吸い込ませることにより、水槽１００の水位が最低運転水位ＬＷＬ以下であっても運転（先行待機運転）を継続することができる。この立軸ポンプ３には、インペラ２２の入口側の吸い込みベル２７の側面部に貫通孔５が設けられている。この貫通孔５には、外気に接する開口６ａを備えた空気管６が取付けられている。これにより、この立軸ポンプ３では、貫通孔５を介して立軸ポンプ３内に供給する空気の供給量が水位に応じて変化され、最低運転水位ＬＷＬ以下で立軸ポンプ３の排水量がコントロールされる。

図２は、先行待機運転の運転状態を説明する図である。前述したように、始動遅れによる浸水被害が生じないよう、例えば大都市の雨水排水用として、吸込水位に関係なく降雨情報等に基づいて予め立軸ポンプが始動される（Ａ：気中運転）。雨水が排水機場に到達すると、低水位の状態から水位が上昇するに従って、インペラの位置まで水位が達し、立軸ポンプは空運転（気中運転）からインペラで水を撹拌する運転（Ｂ：気水撹拌運転）へ移行する。さらに、立軸ポンプは、貫通孔を経て供給される空気を水とともに吸い込ませつつ水量を徐々に増やす運転（Ｃ：気水混合運転）を経て、１００％水の排出を行う全量運転（Ｄ：定常運転）へ移行する。また、高水位から水位が低下するときは、全量運転から貫通孔を経て供給する空気を水とともに吸い込ませつつ水量を徐々に減らす運転（Ｃ：気水混合運転）へ移行する。水位がＬＬＷＬ近くに至ると、水を吸い込まず排水もしない運転（Ｅ：エアロック運転）へ移行する。これら５つの特徴ある運転を総称して先行待機運転という。なお、ポンプ始動は、ケーシング下端よりも低い水位ＬＬＬＷＬから開始する。なお、気水混合運転時にスラスト方向の上下荷重の変動が激しくなる。

図３は、図１に示した先行待機運転を行う従来の立軸ポンプ３の全体を示す断面図である。なお、図２に示した貫通孔５及び空気管６は図示省略されている。図３に示すように、立軸ポンプ３は、吐出エルボ３０と、ケーシング２９と、吐出ボウル２８と、吸い込みベル２７と、を備える。吐出エルボ３０は、ポンプ設置床に設置固定される。ケーシング２９は、この吐出エルボ３０の下端に接続される。吐出ボウル２８は、ケーシング２９の下端に接続されるとともにインペラ２２を内部に格納する。吸い込みベル２７は、吐出ボウル２８の下端に接続されるとともに水を吸い込む。

立軸ポンプ３のケーシング２９、吐出ボウル２８、及び吸い込みベル２７の径方向略中心部には、上下二本の軸が軸継手２６によって互いに接続されることにより形成された一本の回転軸１０が配置されている。回転軸１０は、支持部材１３を介してケーシング２９に固定されている上部すべり軸受装置３２と、支持部材１３を介して吐出ボウル２８に固定されている下部すべり軸受装置３３によって支持されている。回転軸１０の一端側（吸い込みベル２７側）には、水を立軸ポンプ３内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。回転軸１０の他端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔を通って立軸ポンプ３の外部へ延び、インペラ２２を回転させるエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。

回転軸１０と吐出エルボ３０に設けられた孔との間には、フローティングシール、グランドパッキン又はメカニカルシール等の軸シール３４が設けられており、軸シール３４により立軸ポンプ３が扱う水が立軸ポンプ３の外部に流出することを防止する。

駆動機は、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸１０に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。インペラ２２の回転によって水は吸い込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。

図４は、図３に示したすべり軸受装置３２，３３に用いられるすべり軸受装置の拡大図である。図５は、図４に示すすべり軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。図４に示すように、回転軸１０は、その外周に、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１の外周側には、中空円筒の樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）と非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプのケーシング２９（図３参照）等へ繋がる支持部材１３に固定されている。図５に示すように、すべり軸受１は中空円筒状の形状を有しており、内周面１ａがスリーブ１１の外周面と対面し、外周面１ｂが軸受ケース１２に嵌合される。

図６は、図３に示した立軸ポンプ３の上部における、立軸ポンプ３とモータ等の駆動機との接続状況を示した模式図である。立軸ポンプ３の上部における吐出エルボ３０から、軸シール３４により回転軸１０と吐出エルボ３０との間が軸封された状態で上部に延びた回転軸１０は、その端部においてカップリング５１により原動機５０の回転軸５６と接続する。原動機５０は、原動機５０を支持する原動機架台５２の上に固定される。原動機架台５２は、架台５３に固定される。回転軸１０にはラジアル力を受ける転がり軸受５５、及びスラスト力を受ける転がり軸受５５´が設けられる。転がり軸受５５、５５´は軸受ハウジング５４に収納されている。軸受ハウジング５４は架台５３に固定されている。軸受ハウジング５４内には、転がり軸受５５の潤滑に必要な潤滑油が満たされている。

ところで、近年、ポンプ機場はより深い地下に配置されるようになり、それに応じて先行待機ポンプも長軸化が進んでいる。回転軸を長くすればするほど、回転軸には軸の振れ回りが激しくなる部分が生じる。この軸の振れ回りを抑制するために、回転軸に沿ってすべり軸受を適切な位置により多く配置する必要が生まれてきた。

しかしながら、このことにより、新たな技術的課題が発生する虞がある。図７Ａ及び図７Ｂは、軸の振れ回りが激しくなる部分にすべり軸受装置３２，３３を配置したポンプにおける回転軸１０、スリーブ１１、及びすべり軸受１の状態を示す模式的断面図である。ドライ運転においては、すべり軸受装置３２，３３のすべり軸受１と回転軸１０に取り付
けたスリーブ１１とが摺動する際に、接触部（斜線で示される部分）での摩擦力が大きくなり摩耗が促進し、同時に発生する摩擦熱が大きくなる。そのため、すべり軸受１やスリーブ１１の損傷が懸念される。

そもそも、回転軸の振れ回り自体を、全体として適切に低減すれば良いのであるが、これまで、立軸ポンプにおける対策は、どちらかといえば負荷の大きい軸受に関する対策等、局部的な対策が多かった。

そこで、発明者等は、ドライ運転の摺動時に、互いに逆向きの摩擦力による偶力を生じさせて摩擦力を相殺し、回転軸の振れ回りを抑制する仕組みを有するすべり軸受装置を発明した（特許文献１参照）。

このすべり軸受装置では、相殺される力が、回転軸の軸方向に垂直な振れ幅（径方向の振れ幅）の大小に依存する。すなわち、回転軸の振れ回りの大きい場所（腹）にこのすべり軸受装置を配置した場合は、振れ回りを抑制する効果が大きいが、回転軸の振れ回りの小さい場所（節）にこのすべり軸受装置を配置した場合、この効果が得にくくなる。

図１３は、大気（ドライ）運転時に、摺動面に液体の潤滑のない大気雰囲気で運転されるすべり軸受装置の摺動部分に働く力を模式的に示す断面図である。すなわち、図１３に示すように、大気（ドライ）運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で回転軸１０が回転すると、回転軸１０に固定されたスリーブ１１が回転する。大気雰囲気でこのすべり軸受装置が使用される場合、回転軸１０の振れ回りによりスリーブ１１の外周面がすべり軸受１に点Ａにて接触したときに、回転軸１０には軸受反力Ｆ_ＡＮが発生する。この軸受反力Ｆ_ＡＮによって、回転軸１０の回転方向とは逆方向に摩擦力Ｆ_ＡＦが発生し、この摩擦力Ｆ_ＡＦが回転軸１０に回転方向とは逆方向の振れ回り振動を引き起こす不安定化力となる。

ここの場合の不安定化力である摩擦力Ｆ_ＡＦの大きさの程度は、回転軸１０の軸方向に垂直な振れ幅（即ち、回転軸１０の径方向の振れ幅）の大きさに依存する。すなわち、摩擦力Ｆ_ＡＦの大きさは、この回転軸１０の振れが腹であるか節であるかに比較的敏感である。

一方、図１４は、軸受ハウジング内に収容されて、摺動面が潤滑油や水などの液体に浸された液中雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受６１の摺動部分に働く力を模式的に示す図である。回転軸１０が回転すると、回転軸１０に固定され一体化された転動体６５が回転する。摺動面が潤滑油や水などの液体雰囲気にあるので、転動体６５とラジアルすべり軸受６１の間に液膜が構成される。このとき、液膜には転動体６５の回転による周方向の圧力不均一が生じ、その結果、転動体６５に半径方向流体力Ｆ_ＡＲと周方向流体力Ｆ_ＡＴが発生する。この現象による効果を軸受内液膜効果といい、この周方向流体力Ｆ_ＡＴは、図１３に関連して説明したドライ運転で発生する摩擦力Ｆ_ＡＦとは逆回転方向（逆方向）の力である。

この場合、回転軸１０の軸方向に垂直な振れ幅の大きさへの周方向流体力Ｆ_ＡＴの依存性は、図１３におけるドライ運転時の摩擦力Ｆ_ＡＦに比べて小さい。すなわち、周方向流体力Ｆ_ＡＴは、回転軸１０の振れの発生位置が腹であるか節であるかでなく、むしろ回転数の大きさに影響される。

以上の二つの原理に基づき、これらのすべり軸受装置を有する立軸ポンプでは、ドライ運転で発生する摩擦力Ｆ_ＡＦと、それを相殺する液膜効果による周方向流体力Ｆ_ＡＴによって、立軸ポンプの振れ回り振動の抑制が行われるものである。

しかしながら、大気雰囲気で使用されるすべり軸受装置の摺動面で発生する摩擦力の大きさに対して、常時液体雰囲気で使用されるすべり軸受装置の摺動面で発生する軸受内液膜効果による周方向流体力の大きさが、振れ回り振動を抑えるほど十分ではない場合がある。また、周方向流体力が摩擦力よりも大きく作用してしまう場合もある。これらの場合、不安定化が生じ得ることが分かってきた。

そこで発明者らは、常時液体雰囲気で使用されるすべり軸受装置が、回転軸に平行な分割面により分割され、回転軸周りに分解組立可能である真円軸受又は多円弧軸受を有するようにし、摺動面の面積を状況に応じて調節することができる軸受装置を提案したところである。これにより、大気雰囲気で使用されるすべり軸受装置の摺動面で発生する摩擦力に対して、常時液体雰囲気で使用されるすべり軸受装置の摺動面で発生する軸受内液膜効果による周方向流体力を調整することができる。

国際公開第２０１５／０１２３５０号公報 特開２０１５−２２２１１７号公報 国際出願番号第ＰＣＴ/ＪＰ２０１６／０６６８２２号

その後の発明者らは鋭意研究したところ、半径方向流体力Ｆ_ＡＲと周方向流体力Ｆ_ＡＴは、摺動面の面積だけでなく、他の因子が影響することが分かってきた。例えば、摺動部の投影断面積Ｓは、軸方向の長さをＬ、摺動部における半径をＲとして、Ｓ＝２Ｒ×Ｌ（数式１）で表される。ここで、投影断面積Ｓが一定であっても、半径Ｒが大きい（即ちＬが小さい）場合と、半径Ｒが小さい（即ちＬが大きい）場合とでは液膜効果に大小が生じることが分かってきたのである。

そこで、本発明は、常時液体雰囲気で使用されるすべり軸受の摺動面で発生する軸受内液膜効果を効果的に生じさせることができる立軸ポンプを提供することを目的とする。

形態１によれば、回転軸を含む回転体と、前記回転体に取り付けられた羽根車と、前記回転体と前記回転体の少なくとも一部を収容するポンプケーシングと、を備えた立軸ポンプが提供される。この立軸ポンプは、前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転体を支持する第１のすべり軸受と、前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転体を支持する転がり軸受と、を備える。前記第１のすべり軸受は、前記回転体の前記第１のすべり軸受と摺動する部分の直径以上の距離で前記転がり軸受から前記回転軸の軸方向に離間した位置に備えられる。前記第１のすべり軸受の前記回転体との摺動面が、液体雰囲気にある状態で常時使用される。

形態２によれば、形態１の立軸ポンプにおいて、前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転体を支持する第２のすべり軸受を有し、前記第２のすべり軸受は、気中運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用される。

形態３によれば、形態１又は２の立軸ポンプにおいて、前記転がり軸受は、前記回転体のラジアル方向の荷重を支持するように構成されたラジアル転がり軸受を含む。

形態４によれば、形態３の立軸ポンプにおいて、前記回転体のスラスト方向の荷重を支
持するように構成されたスラスト転がり軸受を有し、前記第１のすべり軸受は、前記ラジアル転がり軸受と前記スラスト転がり軸受の間に位置している。

形態５によれば、形態１から３のいずれかの立軸ポンプにおいて、前記ポンプケーシングは、前記羽根車の上流側に空気管を備える。

本発明によれば、常時液体雰囲気で使用されるすべり軸受の摺動面で発生する軸受内液膜効果を効果的に生じさせることができる立軸ポンプを提供することができる。

先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。 先行待機運転の運転状態を説明する図である。 図１に示した先行待機運転を行う従来の立軸ポンプの全体を示す断面図である。 図３に示したすべり軸受装置に用いられるすべり軸受装置の拡大図である。 図４に示すすべり軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。 図３に示した立軸ポンプの上部における、立軸ポンプとモータ等の駆動機との接続状況を示した模式図である。 軸の振れ回りが激しくなる部分にすべり軸受装置を配置したポンプにおける回転軸、スリーブ、及びすべり軸受の状態を示す模式的断面図である。 軸の振れ回りが激しくなる部分にすべり軸受装置を配置したポンプにおける回転軸、スリーブ、及びすべり軸受の状態を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態に係る立軸ポンプの縦断面図である。 図８に示した本実施形態に係る立軸ポンプの回転軸と原動機の回転軸の接続状況を示した模式図である。 本実施形態に係るポンプケーシング外部の原動機架台部分に備えられた軸受装置の縦断面図である。 他の実施形態に係る立軸ポンプの回転軸と原動機の回転軸の接続状況を示した模式図である。 図１１に示した立軸ポンプのポンプケーシング外部の原動機架台部分に備えられた軸受装置の縦断面図である。 図１１に示した立軸ポンプのポンプケーシング外部の原動機架２部分に備えられた軸受装置の他の例の縦断面図である。 大気（ドライ）運転時に、摺動面に液体の潤滑のない大気雰囲気で運転されるすべり軸受装置の摺動部分に働く力を模式的に示す断面図である。 軸受ハウジング内に収容されて、摺動面が潤滑油や水などの液体に浸された液中雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受の摺動部分に働く力を模式的に示す図である。 図１０における軸受装置の、回転軸（転動体）、ラジアル転がり軸受、すべり軸受の位置関係を説明するための模式図である。

以下、本実施形態に係る立軸ポンプ、及びそれに用いるすべり軸受装置の実施形態を、図面を参照して説明する。同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。本明細書において、「上部」及び「下部」とは、立軸ポンプが移送する液体の下流側（図示において「吐出」側）及び上流側（図示において「吸込」側）をそれぞれ意味するものとして説明する。

図８は、本実施形態に係る立軸ポンプの縦断面図である。立軸ポンプはポンプケーシン
グ内にポンプの揚水対象の水がない状態で回転軸を運転することがあるポンプである。立軸ポンプにはそのような状態で管理運転を行うものや、先行待機運転において、気中運転を行うものもある。図８では先行待機運転を行う立軸ポンプを例示している。なお、管理運転とは、降水が稀な季節においてポンプの停止状態が継続している時期に、ポンプが正常に運転できるかどうかを点検するための運転であって、ポンプケーシング内がドライな状態で行う運転である。その運転時間は、十数分から数十分になる場合もある。

図８に示すように、立軸ポンプ３は、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続されるケーシング２９と、ケーシング２９の下端に接続されるとともにインペラ２２（羽根車の一例に相当する）を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続されるとともに水を吸い込むための吸い込みベル２７とを備えている。吸い込みベル２７の下端から吐出エルボ３０の吐出端部までをポンプケーシングと呼ぶ。

インペラ２２の入口側の吸い込みベル２７の側面部には貫通孔が設けられており、この貫通孔には、外気に接する開口を備えた空気管６が取り付けられている。これにより、この立軸ポンプ３では、貫通孔を介して立軸ポンプ３内に供給する空気の供給量が水位に応じて変化し、立軸ポンプ３の排水量がコントロールされる。

立軸ポンプ３のケーシング２９、吐出ボウル２８、及び吸い込みベル２７の径方向略中心部、すなわちポンプケーシング内部には、回転軸１０が配置されている。回転軸１０の一端側（吸い込みベル２７側）には、水をポンプ内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。

回転軸１０は、すべり軸受装置３２、３３によって支持される。すべり軸受装置３２は、軸方向の適当な位置で、支持部材を介してケーシング２９に固定されている。すべり軸受装置３３は、吐出ボウル２８の内筒に支持部材を介して固定されている。インペラ２２を回転軸１０が貫通する場合においては、すべり軸受３３は、回転軸１０の下端部で、支持部材を介してケーシング２９に固定されていてもよい。すべり軸受装置３２，３３は、大気運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受装置であってよい。大気運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受装置とは、例えば、図４及び図５に示したすべり軸受装置である。

すなわち、図４に示すように、このすべり軸受装置は、回転軸１０の外周に、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属等からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１の外周側には、中空円筒の樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）と非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプのケーシング２９等へ繋がる支持部材１３に固定されている。図５に示すように、すべり軸受１は中空円筒状の形状を有しており、内周面１ａがスリーブ１１の外周面と対面し、外周面１ｂが軸受ケース１２に嵌合される。すべり軸受装置３３とすべり軸受装置３２はともに１か所以上配置され、両者合わせて複数のすべり軸受装置となる。

回転軸１０の上端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔を通って立軸ポンプ３の外部へ延び、インペラ２２を回転させるエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。回転軸１０と吐出エルボ３０に設けられた孔との間には、フローティングシール、グランドパッキン又はメカニカルシール等の軸シール３４が設けられており、軸シール３４により立軸ポンプ３が扱う水が立軸ポンプ３の外部に流出することを防止する。

駆動機は、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸１０に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。インペラ２２の回転によって水が吸い込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。

図９は、図８に示した本実施形態に係る立軸ポンプ３の回転軸１０と原動機５０の回転軸５６の接続状況を示した模式図である。立軸ポンプ３の上部における吐出エルボ３０から、軸シール３４により回転軸１０と吐出エルボ３０との間が軸封された状態で上部に延びた回転軸１０は、その端部においてカップリング５１により原動機５０の回転軸５６と接続する。原動機５０は、原動機５０を支持する原動機架台５２の上に固定される。回転軸１０にはラジアル力を受ける転がり軸受５５、及びスラスト力を受ける転がり軸受５５´が設けられる。転がり軸受５５、５５´は軸受ハウジング６３に収納されている。軸受ハウジング６３は架台５３に固定されている。軸受ハウジング６３内には、転がり軸受５５の潤滑に必要な分まで潤滑油が満たされている。

ところで、立軸ポンプの回転軸１０の上部は、以上で説明した構造により、転がり軸受５５、５５´により支持され、また、それらを支持する軸受ハウジング６３が、さらに剛性の高い架台５３にしっかり固定されている。回転軸１０の軸受ハウジング６３より下方は、軸受ハウジング６３からインペラ２２までの距離が長いので、回転軸１０をそのまま回転させると振れ回りが生じることがある。その振れ回りの程度は高さ方向の位置により異なる。この振れ回りを抑制するように、ポンプケーシング内にすべり軸受装置３２，３３を設けて回転軸１０を支持している。

すべり軸受装置３２の位置は、設計段階において、経験、あるいは便法的な計算により決定される。具体的には、回転軸１０の太さ、長さ、回転数、インペラの重さや枚数等の条件から、回転軸１０の振れ回りの大きい位置を割り出し、それに基づいて軸方向のどの位置に、いくつのすべり軸受装置３２を配置するかが、ある程度決められる。しかしながら、回転軸１０の振れ回りの大きい位置として予測されたすべり軸受装置３２の配置位置が、実際の振れ回りの大きい位置からずれることがある。また、このすべり軸受装置３２の配置位置は、立軸ポンプ３を組み立てた後に修正することはできない。

ところで、ドライ運転においては、ポンプケーシング内のすべり軸受装置３２，３３におけるすべり軸受１と、回転軸１０に取り付けたスリーブ１１とが摺動する際に、接触部での摩擦力が大きくなり、発生する摩擦熱が大きくなる。そのため、すべり軸受１やスリーブ１１の損傷が懸念される。

特に、回転軸１０の振れ回りの大きい所に備えたすべり軸受装置３２，３３ほど軸受荷重が大きいので、摺動する相手方の回転軸１０に取り付けたスリーブ１１の局所的な摩耗や高温化が生じやすくなり、立軸ポンプ３の回転体（回転軸１０及びスリーブ１１）と固定体（すべり軸受１）との干渉による振動や軸受荷重が増加する。

そこで、本実施形態に係る立軸ポンプ３は、ポンプケーシング外部の原動機架台５２部分において、回転軸１０のラジアル力とスラスト力を受ける軸受装置として転がり軸受５５、５５´を備えるとともに、回転軸１０を囲繞したすべり軸受６１を備える。軸受ハウジング６３内に収容された転がり軸受５５、５５´及びすべり軸受６１は、潤滑油や水等の液体に浸漬される。

図１０は、本実施形態に係るポンプケーシング外部の原動機架台５２部分に備えられた軸受装置６０の縦断面図である。図１０に示すように、軸受装置６０は、軸受ハウジング
６３を有する。軸受ハウジング６３は、回転軸１０の径よりやや大きい径の略円筒壁である内筒６３ａと、内筒６３ａより大きい径の略円筒壁の外筒６３ｂと、内筒６３ａ及び外筒６３ｂの壁面の下部同士を接続するとともに、架台５３と固定される底板６３ｄと、外筒６３ｂの壁面の上部と接続して、転がり軸受５５を固定する支持板６３ｃと、支持板６３ｃの上に固定され、転がり軸受５５、５５´及び回転軸１０を囲繞するすべり軸受６１の上部に位置する天板６３ｅを有する。これらにより、軸受ハウジング６３は、潤滑油や水などを受液できる槽を形成している。各部材は分解可能であるが、組み立てられた状態では互いに水密に接合しており、形成される軸受ハウジング６３内に液体を注入しても外部に漏洩することはない。

内筒６３ａの内側には、回転軸１０が延在する。回転軸１０は、この内筒６３ａを外側から覆うように構成された転動体６５を備えている。転動体６５は回転軸１０と一体となって回転するように構成されている。天板６３ｅと転動体６５及び回転軸１０等を含む回転体との間は、わずかな隙間が形成されるか、リップシール等の摺動シール部材によりほぼ封止されている。内筒６３ａと転動体６５及び回転軸１０との間には、内筒６３ａの上端及び側面と転動体６５及び回転軸１０とが干渉しないように、円環状に隙間通路７１が形成されている。なお、本明細書において、少なくとも回転軸１０と転動体６５とを総称して回転体ということがある。

本実施形態の軸受装置６０によれば、軸受装置６０の上方の液体注入ライン６９から軸受ハウジング６３内の空間に水や油等の液体を、内筒６３ａの上端の高さＦＬまで注入して、立軸ポンプ３を運転することが可能となる。軸受ハウジング６３の内筒６３ａの上端部は、転がり軸受５５よりも、高い位置まで延びている。ＦＬを越えて液体を注入すると、液体が内筒６３ａの上端を溢流してしまうので、レベル計７０等により、溢流しないレベルに液面が維持されるように、液面が監視される。液面の低下があれば、再び液体注入ライン６９から補充の液を注入する。液の交換や軸受装置６０のメンテナンスでは、液体パージライン６８から軸受ハウジング６３内の液体を外部に放出する。液体注入ライン６９にはバルブ６９ａが、液体パージライン６８にはバルブ６８ａが備えられ、各ラインの液の注入・放出時に開閉される。

回転軸１０は、上方に配置され、ラジアル方向の摺動荷重を受けるように構成されたラジアル転がり軸受５５と、下方に配置され、スラスト方向の摺動荷重を受けるように構成されたスラスト転がり軸受５５´により支持される。ラジアル転がり軸受５５の外輪は外輪の支持部材７２に固定されている。外輪の支持部材７２は軸受ハウジング６３の支持板６３ｃに固定されている。スラスト転がり軸受５５´の外輪は、軸受ハウジング６３の底板６３ｄに固定されている。なお、転がり軸受５５、５５´の内輪は回転軸１０（転動体６５）に固定されている。

転がり軸受５５と転がり軸受５５´との間には、回転軸１０（転動体６５）の摺動部分が位置しており、軸受装置６０は、回転軸１０（転動体６５）を囲繞するすべり軸受６１を備えている。すべり軸受６１は、回転軸１０（転動体６５）の摺動部分に対応するように位置している。なお、回転軸１０（転動体６５）の少なくとも摺動面は、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属、又は表面改質された金属からなる。また、回転軸１０（転動体６５）の摺動面に相対するすべり軸受１、６１は、樹脂材料、セラミックス、焼結金属、又は表面改質された金属からなる。

ここで、図１０における軸受装置６０の、液膜効果に関する寸法パラメータを説明する。比較的小さなサイズのパラメータに関する説明も存在するので、便宜上、図１５を参照する。図１５は、図１０における軸受装置６０の、回転軸１０（転動体６５）、ラジアル転がり軸受５５、すべり軸受６１の位置関係を説明するための模式図である。図１５では
、軸方向をＺ軸とし、回転軸１０の径方向のＸＹ平面の第４象限側が切断されている。説明の便宜のため、寸法尺度は必要に応じて誇張されている。

ここで、すべり軸受６１の摺動面の軸方向の長さをＬ_ｂ、すべり軸受６１と転動体６５が摺動する、転動体６５の摺動部分における直径をＤ、すべり軸受６１の軸方向長さの半分の位置（軸方向中央の位置）から、ラジアル転がり軸受５５の軸方向長さの半分の位置（軸方向中央の位置）までの距離をＬ_ｓ、すべり軸受６１と転動体６５の互いの摺動面間の平均クリアランスをＣ（所謂、半径隙間）、転動体６５の摺動部分における転動体６５の径方向の振幅をＡ_ｍとする。

液膜効果による流体力Ｆ_ｆは、これらパラメータとの間に以下の関係を有する。
Ｆ_ｆ＝κ・Ａ_ｍ・Ｄ・Ｌ_ｂ ^３/Ｃ^３・・・（数式２）
（ただし、κは比例定数）
一般的に、すべり軸受におけるＬ_ｂ/Ｄは０．１〜１．０の範囲内にあり、２Ｃ/Ｄは１〜３／１０００の範囲内にあることは知られている。

さらに、発明者らの研究によれば、転動体６５の振幅Ａ_ｍは、ラジアル転がり軸受５５の近傍では、以下の式で表すことができることが分かった。
Ａ_ｍ＝αＬ_ｓ・・・（数式３）
（ただし、αは比例定数）
ここで、転動体６５の振幅Ａ_ｍが、距離Ｌ_ｓに比例する範囲は、０＜Ｌ_ｓ＜Ｄである。

数式２によれば、転動体６５の摺動部分における直径Ｄを大きくすれば、流体力Ｆ_ｆは増加する。しかしながら、直径Ｄを大きくするよりも、すべり軸受の軸方向長さＬ_ｂを長くするか、クリアランスＣを小さくする方が流体力Ｆ_ｆを増加させる効果は大きい。一方で、転動体６５の摺動部分における直径Ｄ、すべり軸受の軸方向長さＬ_ｂ、クリアランスＣは寸法的に決められており、大きく変更することは困難である。

数式３によれば、転動体６５の振幅Ａ_ｍは、すべり軸受６１の軸方向長さの半分の位置（軸方向中央の位置）から、ラジアル転がり軸受５５の軸方向長さの半分の位置（軸方向中央の位置）までの距離Ｌ_ｓに比例する。したがって、数式３によれば、Ｌ_ｓがゼロに近づくと（即ち、すべり軸受６１とラジアル転がり軸受５５が近接することを示す）、振幅Ａ_ｍもゼロに近づくので、数式２によれば、流体力Ｆ_ｆをゼロに近づけることができる。

以上のことから、本実施形態に係る軸受装置６０は、回転軸１０のラジアル方向の摺動荷重を受けるラジアル転がり軸受５５を備え、回転軸１０又は転動体６５と液体雰囲気で摺動するすべり軸受６１を備え、すべり軸受６１とラジアル転がり軸受５５の距離は、すべり軸受６１と摺動する位置での回転軸１０の直径よりも大きいことを特徴としている。なお、ここでのすべり軸受６１とラジアル転がり軸受５５の距離とは、上述したように、すべり軸受６１の軸方向長さの半分の位置（軸方向中央の位置）から、ラジアル転がり軸受５５の軸方向長さの半分の位置（軸方向中央の位置）までの距離Ｌ_ｓに相当する。図１０においては、ラジアル転がり軸受５５の下方にＬｓ（＞Ｄ）離れた位置にすべり軸受６１が備えられている。このようにすることで、液膜効果による流体力Ｆ_ｆを効果的に引き出すことが可能となる。

図１０に説明した軸受装置６０を備えた図８及び図９の立軸ポンプ３において、転がり軸受５５の潤滑ラインＦＬまで軸受ハウジング６３内に液体が収容されている状態で立軸ポンプ３を運転すると、回転軸１０（転動体６５）とすべり軸受６１の摺動面の間で液膜効果が生じる。この液膜効果による周方向流体力が、ドライ運転時にポンプケーシング内のすべり軸受装置３２、３３で生じる摩擦力を相殺及び緩和し、回転軸の振れ回り振動が
抑制される。

図１１は、他の実施形態に係る立軸ポンプ３の回転軸１０と原動機５０の回転軸５６の接続状況を示した模式図である。図１１に示す立軸ポンプ３は、ポンプケーシングの外部に設けられる軸受装置６０を除いて、図８及び図９に示した立軸ポンプ３と同様の構造を有する。即ち、立軸ポンプ３の上部における吐出エルボ３０から、軸シール３４により回転軸１０と吐出エルボ３０との間が軸封された状態で上部に延びた回転軸１０は、その端部においてカップリング５１により原動機５０の回転軸５６と接続する。原動機５０は、原動機５０を支持する原動機架台５２の上に固定される。回転軸１０にはラジアル力を受ける転がり軸受５５、及びスラスト力を受ける転がり軸受５５´が設けられる。転がり軸受５５、５５´は軸受ハウジング６３に収納されている。軸受ハウジング６３は架台５３に固定されている。軸受ハウジング６３内には、転がり軸受５５の潤滑に必要な分まで潤滑油が満たされている。

立軸ポンプ３の回転軸１０の上部は、回転軸１０の転がり軸受５５、５５´により支持され、また、それらを支持する軸受ハウジング６３が、さらに剛性の高い架台５３にしっかり固定されている。この実施形態に係る立軸ポンプ３は、さらに、ポンプケーシング外部の原動機架台５２部分において、回転軸１０のラジアル力とスラスト力を受ける軸受装置として転がり軸受５５、５５´を備えるとともに、回転軸１０を囲繞したすべり軸受６１を備える。軸受ハウジング６３内に収容された転がり軸受５５、５５´及びすべり軸受６１は、潤滑油や水等の液体に浸漬される。

立軸ポンプ３の回転軸１０の軸受ハウジング６３より下方は、軸受ハウジング６３からインペラ２２までの距離が長いので、回転軸１０をそのまま回転させると振れ回りが生じることがある。その振れ回りの程度は高さ方向の位置により異なる。この振れ回りを抑制するように、ポンプケーシング内にすべり軸受装置３２，３３を設けて回転軸１０を支持している。

図１２Ａは、図１１に示した立軸ポンプ３のポンプケーシング外部の原動機架台５２部分に備えられた軸受装置６０の縦断面図である。図１２Ａに示すように、軸受装置６０は、軸受ハウジング６３を有する。軸受ハウジング６３は、回転軸１０の径よりやや大きい径の略円筒壁である内筒６３ａと、内筒６３ａより大きい径の略円筒壁であって、内部に転がり軸受５５の支持部材７２を備えた外筒６３ｂと、内筒６３ａ及び外筒６３ｂの壁面の下部同士を接続する底板６３ｄと、外筒６３ｂの壁面の上部と接続して、転がり軸受５５´を固定するとともに、架台５３に固定される支持板６３ｃと、支持板６３ｃの上に固定され、転がり軸受５５、５５´、及び回転軸１０を囲繞するすべり軸受６１の上部に位置する天板６３ｅを有する。これらにより、軸受ハウジング６３は、潤滑油や水などを受液できる槽を形成している。各部材は分解可能であるが、組み立てられた状態では互いに水密に接合しており、形成される軸受ハウジング６３内に液体を注入しても外部に漏洩することはない。

内筒６３ａの内側には、回転軸１０が延在する。回転軸１０は、この内筒６３ａを外側から覆うように構成された転動体６５を備えている。転動体６５は回転軸１０と一体となって回転するように構成されている。天板６３ｅと転動体６５及び回転軸１０等を含む回転体との間は、わずかな隙間が形成されるか、リップシール等の摺動シール部材によりほぼ封止されている。内筒６３ａと転動体６５及び回転軸１０との間には、内筒６３ａの上端及び側面と転動体６５及び回転軸１０とが干渉しないように、円環状に隙間通路７１が形成されている。

本実施形態の軸受装置６０によれば、軸受ハウジング６３内の空間に水や油等の液体を
、内筒６３ａの上端の高さＦＬまで注入して、立軸ポンプ３を運転することが可能となる。軸受ハウジング６３の内筒６３ａの上端部は、転がり軸受５５及び転がり軸受５５´よりも高い位置まで延びている。ＦＬを越えて液体を注入すると、液体が内筒６３ａの上端を溢流してしまうので、レベル計７０等により、溢流しないレベルに液面が維持されるように、液面が監視される。

回転軸１０は、上方に配置され、スラスト方向の摺動荷重を受けるように構成されたスラスト転がり軸受５５´と、下方に配置され、ラジアル方向の摺動荷重を受けるように構成されたラジアル転がり軸受５５により支持される。ラジアル転がり軸受５５の外輪は外輪の支持部材７２に固定されている。外輪の支持部材７２は軸受ハウジング６３の外筒６３ｂに固定されている。スラスト転がり軸受５５´の外輪は、軸受ハウジング６３の支持板６３ｃに固定されている。なお、転がり軸受５５、５５´の内輪は回転軸１０（転動体６５）に固定されている。

ラジアル転がり軸受５５から軸方向下方に距離Ｌｓ離間した位置には、回転軸１０（転動体６５）の摺動部分が位置しており、軸受装置６０は、回転軸１０（転動体６５）の当該摺動部分を囲繞するすべり軸受６１を備えている。すべり軸受６１は、外筒６３ｂに支持され、回転軸１０（転動体６５）の摺動部分に対応するように位置している。すなわち、図示の実施形態において、軸受装置６０は、回転軸１０のラジアル方向の摺動荷重を受けるラジアル転がり軸受５５と、回転軸１０のスラスト方向の摺動荷重を受けるスラスト転がり軸受５５´を備え、ラジアル転がり軸受５５から距離Ｌｓだけ下方に離間した位置に、回転軸１０と液体雰囲気で摺動するすべり軸受６１を備える。このすべり軸受６１とラジアル転がり軸受５５の距離Ｌｓは、すべり軸受６１と摺動する位置での回転軸１０の直径Ｄよりも大きくされている。このようにすることで、既述したように、液膜効果による流体力Ｆ_ｆを効果的に引き出すことが可能となる。

図１２Ｂは、図１１に示した立軸ポンプ３のポンプケーシング外部の原動機架台５２部分に備えられた軸受装置６０の他の例の縦断面図である。図１２Ａにおいて、ラジアル転がり軸受５５とすべり軸受６１の位置関係を入れ替えたものであるが、このようにしても、図１２Ａと同じく液膜効果による流体力Ｆｆを効果的に引き出すことが可能となる。

図１２Ａ及び図１２Ｂに説明した軸受装置を備えた図８及び図１１の立軸ポンプ３において、潤滑ラインＦＬまで軸受ハウジング６３内に液体が収容されている状態で立軸ポンプ３を運転すると、回転軸１０（転動体６５）とすべり軸受６１の摺動面の間で液膜効果が生じる。この液膜効果による周方向流体力が、ドライ運転時にポンプケーシング内のすべり軸受装置３２、３３で生じる摩擦力を相殺及び緩和し、回転軸の振れ回り振動は抑制される。

以上、本発明の実施形態について、主に先行待機運転を行う立軸ポンプを例として説明したが、立軸ポンプ３は、ポンプケーシング内に、ポンプが揚水する対象の水がない状態で回転軸を回転して運転することがあるポンプであって、そのような状態で管理運転を行うポンプも含まれる。上述した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、又は、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲及び明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、又は省略が可能である。

１…軸受
３…立軸ポンプ
１０…回転軸
１１…スリーブ
３２…すべり軸受装置
３３…すべり軸受装置
５５…すべり軸受
５６…回転軸
６０…軸受装置
６１…すべり軸受
６３…軸受ハウジング
６５…転動体

Claims (5)

1. 回転軸を含む回転体と、前記回転体に取り付けられた羽根車と、前記回転体と前記回転体の少なくとも一部を収容するポンプケーシングと、を備えた立軸ポンプであって、
   前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転体を支持する第１のすべり軸受と、
   前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転体を支持する転がり軸受と、を備え、
   前記第１のすべり軸受は、前記回転体の前記第１のすべり軸受と摺動する部分の直径以上の距離で前記転がり軸受から前記回転軸の軸方向に離間した位置に備えられ、
   前記第１のすべり軸受の前記回転体との摺動面が、液体雰囲気にある状態で常時使用される、立軸ポンプ。
2. 請求項１に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転体を支持する第２のすべり軸受を有し、
   前記第２のすべり軸受は、気中運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用される、立軸ポンプ。
3. 請求項１又は２に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記転がり軸受は、前記回転体のラジアル方向の荷重を支持するように構成されたラジアル転がり軸受を含む、立軸ポンプ。
4. 請求項３に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記回転体のスラスト方向の荷重を支持するように構成されたスラスト転がり軸受を有し、
   前記第１のすべり軸受は、前記ラジアル転がり軸受と前記スラスト転がり軸受の間に位置している、立軸ポンプ。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記ポンプケーシングは、前記羽根車の上流側に空気管を備える、立軸ポンプ。

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